ACIERS AU SILICIUM
Etude théorique. — Courbes de refroidissement. — M. Osmond a montré que le point A3 tend à remonter et h se rapprocher du point critique du fer pur. De plus, ce point est d'autant moins seusible que le pourcentage de silicium est plus élevé. Vers 20/0, on ne peut plus le constater. Le point A2 tend à s'abaisser, tandis que le point Aj tend à remonter pour coïncider avec le point A.,.
Dans le fort intéressant mémoire qu'il a présenté à la réunion de septembre 1903 de ITron and Steel Institute, M. Thomas Baker a étudié la variation des points de transformation.
Il constate comme M. Osmond, comme M. le professeur Arnold que 5 0/0 de silicium font disparaître le point A3. Le point A2 se déplace d'environ 8° pour chaque 1 0/0 de silicium. — Quant au point A1? il était très peu visible dans les aciers étudiés par M. Baker, ceux-ci étant extrêmement peu carbures.
Métallographie (Album, PL XXIII et XXIV). — Voici les résultats des recherches que nous avons faites sur ces alliages :
Toutes les attaques ont été faites à l'acide picrique pour les teneurs faibles, à l'acide chlorhydrique à partir de 5 0/0 de silicium. Il arrive souvent qu'un acier au silicium parfaitement poli montre, après attaque, des raies de polissage très accentuées. De plus, il se produit souvent, dans l'attaque, de la silice qui recouvre la surface et fait apparaître, en se desséchant, des lignes de retrait que l'on pourrait prendre pour des bords de polyèdres. Il faut alors laver à l'acide fluorhydrique.
La série des aciers renfermant environ 0,200 0/0 de carbone nous a donné les résultats suivants :
De 0,5 à 5 0/0 de silicium , on a la structure perlitique ( Phot . 89, PI. XXIII). A 50/0 de silicium, on aperçoit des taches blanches par polissage en bas-relief, et on distingue nettement avant tout * attaque des points noirs très fins, qui sont du graphite (Phot. 90, PL XXIII). Après attaque, on retrouve ces constituants et de la
3iîfj LES ALLIAGES MÉTALLIQUES
perlite qui se trouve hors des taches blanches. Pour une teneur plus élevée en silicium, mais inférieure à 20 0/0, on n'a plus que des plages blanches bordées de graphite ; parfois on dislingue autour de ce graphite quelques grains très brillants, toujours en très patiles quantités (Phot. 91, PI. XXUi). Dans un acier à 20 0/0, on voit nettement du graphite et deux constituants,dontl'ua très bien cristallisé (Phot. 92, PI. XXIII). Pour une teneur en silicium très grande, on rencontre des cristaux très bien CTi définis entourés Fiq. 130. - Diagramme des acier» an silicium. d'uneutectique;
il sont d'autant plus importants que le silicium est en plus grande quantité. L'étude des aciers renfermant 0,800 0/0 de carbone conduit identiquement aux mêmes résultats, à cela près que la perlite ou le graphite s'y trouvent en plus importante quantité (Phot. 93, 94, PI. XXIV).
Il faut donc conclure de suite que la teneur en silicium a seule une influence sur la constitution de ces aciers et que le carbone n'en a aucune.
Nos recherches sur les aciers au silicium sont résumées dans le diagramme de la figure 130, qui est extrêmement simple. Le plan est divisé en quatre régions par des parallèles à l'axe des x (le carbone n'a, en effet, aucune influence sur la constitution de ces aciers), menées par les points 5, 7 et 20 0/0 de silicium. Au-dessous de la première nous avons tout le carbone combiné ; entre la seconde droite et la première, il y a une partie du carbone qui est combinée, l'autre qui est à l'état de graphite. Au-dessus de la seconde droite, tout le
•carbone est à l'état de graphite; l'espace compris entre la deuxième et la troisième droite correspond aux aciers dont le silicium est à l'état de solution et qui peuvent contenir, en outre, un peu du composé Fe*Si. Au-dessus de cette troisième droite se trouvent les aciers contenant le composé FeSi. Toutefois nous notons une divergence, que nous ne saurions expliquer, entre la composition de certains ferro-siliciums et de certains aciers à même teneur en silicium.
Résistance électrique. — M. Le Chatelier a montré que le silicium amène une augmentation de résistance de 14 microhms par 1 0/0 de silicium en poids. Le silicium est à l'état de solution solide dans le fer pour les aciers à faible teneur.
Etude chimique. — Etant données les importantes recherches qui ont été faites sur les ferro-siliciums industriels et qui ont conduit à admettre, comme nous le verrons, l'existence des trois composés Fe*Si, FeSi et FeSi'2, nous avons jugé nécessaire de procéder à l'étude chimique des aciers au silicium. Avant tout, nous avons repris l'étude des ferro-siliciums et nous avons isolé les trois composés déjà connus.
Un ferro-silicium à 12 0/0 de silicium traité par le chlorure de cuivre ammoniacal nous a laissé un résidu représentant à peu près le tiers du poids primitif correspondant bien exactement à la formule Fe?Si.
Un ferro-silicium renfermant 30 0/0 de silicium traité par l'acide chlorhydrique étendu de son volume d'eau nous a donné un résidu, qui, lavé à la potasse étendue, puis à l'acide acétique, se sépare à l'aimant en deux parties ; la partie aimantée correspond nettement à la formule FeSi.
Enfin un ferro-silicium à 35 0/0 de silicium nous a donné le composé FeSi2.
L'étude chimique de nos aciers nous a conduit aux résultats suivants :
1° Les aciers qui renferment moins de 20 0/0 de silicium ne contiennent pas ou ne renferment que des quantités minimes du composé Fe2SL C'est ainsi que l'acier à 0,350 de carbone
et 13,9 0/0 de silicium en contient des traces ; traité par le chlorure de cuivre ammoniacal, il laisse un résidu qui n'est que la deux ou trois millième partie de la matière traitée.
Les aciers qui contiennent plus de 2 0/0 de silicium, traités comme nous l'avons dit pour le fer.ro-silicium à 30 0/0 de silicium, laissent une quantité importante du composé FcSi (nos aciers contiennent au maximum 30 0/0 de silicium).
Étude industrielle. — Fabrication. — La fabrication des aciers au silicium se fait aisément au four Martin sur sole acide. Parfois on utilise même le Bessemer acide.
Toutefois on n'a jamais dépassé une teneur de 20/0 de silicium.
Les aciers qui ont servi à nos recherches ont été obtenus au creuset.
Nous verrons dans le chapitre suivant quelles sont les matières premières qui peuvent être utilisées.
Propriétés mécaniques. — Les essais n'ont été pratiqués que sur les aciers qui avaient pu être laminés, c'est-à-dire pour la série à 0,200 0 Ode carbone, ceux contenant moins de 7 0/0 de silicium et, pour la série à 0,800 0/0 de carbone, ceux renfermant moins de 5 0/0 de silicium. Les résultats de ces essais sur aciers bruts de forge sont résumés dans les graphiques des figures 131 à 134.
On peut en déduire les conclusions suivantes :
La charge de rupture et la limite élastique sont plus élevées dans les aciers au silicium que dans les aciers ordinaires à même teneur en carbojie que les premiers. Toutefois elles ne croissent pas sensiblement avec la teneur en silicium, dès qu'il se trouve un peu de carbone à l'état de graphite, et les allongements et les strictions sont nuls. La résistance au choc des aciers au silicium est faible ; elle devient nulle dès qu'il y a un peu de graphite.
La dureté est plus grande que dans les aciers au carbone, mais elle n'augmente pas avec la teneur en silicium. En un mot. le silicium apporte avec lui certaines propriétés, mais
AC1EKS SPÉCIAUX 359
elles ne se modifient pas sensiblement avec le pourcentage de ce corps, du moins tant qu'il n'y en a pas assez pour qu'une partie du carbone soit précipitée à l'état de graphite.
Série I
Fie 131. — Essais à la traction. C— 0.210.
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Série II
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F.u. 132. —essais à lu traction. 0= 0,800.
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— Essais à la dureté. Fin. 133. — Essais au choc.
Fio. 131 à 134. — Aciers au silicium normaux.
Influence des traitements. — Trempe, — Les aciers au silicium perlitiques subissent les mêmes transformations que les aciers ordinaires au carbone.
Les aciers dont tout le carbone est précipité a l'état de graphite ne subissent aucune transformation. Quant aux aciers
qui renferment et de la perlite et du graphite, ils montrent après trempe une structure un peu spéciale qui est la même, quelle que soit la température de trempe1 : les îlots de perlite sont remplacés par des îlots de martensite; le reste est formé de grandes plages blanches ne contenant aucune trace de martensite. Ceci est bien en rapport exact avec la théorie.
Recuit. — Le recuit précipite le carbone combiné à l'état de graphite (Phot. 95 et 96, PI. XXIV). Le temps de recuit nécessaire pour que tout le carbone soit à l'état de graphite est d'autant plus faible que :
1° La teneur en silicium est plus forte; 2° La température est plus élevée.
Comme pour les fontes (recherches de MM. Charpy et Grenel), nous avons noté que :
1° La séparation du graphite commence à une température d'autant plus basse que la teneur en silicium est plus forte;
2° La séparation de graphite une fois commencée se continue aux températures inférieures à celle où s'amorce la réaction; 3° A température constante la séparation du graphite s'effectue progressivement avec une vitesse d'autant plus faible que la température est plus basse et la teneur en silicium plus faible.
Cémentation. — Les aciers dont tout le carbone est à. L'état de graphite peuvent présenter deux cas : ou le temps que dure la cémentation est suffisamment long pour que le dépôt du graphite ait lieu; dans ces conditions, une partie ou même la totalité du carbone sera à l'état de graphite. Ou le temps de cémentation n'est pas suffisant pour produire cet effet ; dans ces conditions, la cémentation a lieu comme dans un acier au carbone ordinaire.
Quant aux aciers dont tout le carbone est à l'état de graphite, il n'y a pas absorption de carbone, la cémentation n'est pas possible.
Utilisations. — La principale utilisation des aciers au sili-
1. Pourvu, bien entendu, qu'elle soit supérieure au point de transformation Ai-
cium se trouve dans la fabrication des aciers à ressorts.
Us appartiennent alors à différents types et renferment de 0,400 à 0,700 0/0 de carbone et de 0,5 à 2,5 0/0 de silicium. Il faut remarquer d'ailleurs que les aciers renfermant le moins de carbone sont ceux qui renferment le plusde silicium.
Les deux types les plus généralement fabriqués, du moins en France, sont :
Type I :
Si 1,5 à 1,2
Type II :
Si 0,900 à 0,800 .
quelquefois la teneur en carbone s abaisse à 0,300, le silicium alors s'élève à 2,5 0/0.
Le type I donne brut de forge :
Trempé à 900°, il donne :
A 0/0 2 àO
Trempé à l'eau et revenu au bois étincelant :
A Fessai au choc, cet acier trempé et revenu donne de 3 à 7 kilogrammètres, chiffre extrêmement élevé pour un acier à aussi haute charge de rupture.
D'ailleurs, la propriété caractéristique d'un acier au silicium pour ressorts est justement de présenter, après trempe et recuit convenables, une résistance au choc remarquable dans le sens du laminage, bien que la limite élastique soit très élevée. Dans le sens perpendiculaire au laminage, la résistance au choc est presque nulle.
Quelques fabricants d'aciers à outils mettent d'importantes quantités de silicium dans leurs produits.
De plus, les aciers au silicium semblent présenter de grands avantages au point de vue constructions électriques. En effet, les tôles au silicium ne présentent presque pas le phénomène connu sous le nom de vieillissement.
Comme acier ayant une hystérésis aussi faible et une perméabilité aussi grande que possible, M. Hadfield recommande la composition suivante qu'il a fait breveter :
Si 2,75
Mn 0,08
Un échantillon pour tôles de dynamo nous a donné :
Si 3,85
Enfin, on essaie, à l'heure actuelle, un acier de construction à faible teneur en carbone (0,200 à 0,250 0/0) et renfermant 1 0/0 Si; il offre une limite élastique relativement élevée.
Il faut encore rappeler le rôle important que joue le silicium en sidérurgie, où il est employé pour éviter les soufflures.
